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液晶的性质与应用

刘洋华
（北京大学环境学院城市规划专业，北京，100871）

摘要：阐述液晶这一类化合物的种类分支、性质以及在其实际中的应用。
关键词：液晶化学近晶相胆甾相向列相

一、序言
液晶（liquidcrystals）是目前非常流行的一大类高分子材料，液晶电视、液晶显示器日
渐成为流行生活的一部分，可以说液晶的应用是现代生活的标志。我对液晶的兴趣来自对液
晶显示器的渴望，液晶显示图像柔和、舒适、清晰，没有频闪，比起CRT显示不会伤害眼
睛（这是液晶将最终取代CRT的重要原因之一），而且液晶显示不会发出有害人体健康的射
线，其他方面比如能耗低，制作、携带方便都是液晶具有市场前景的因素。但健康和方便通
常是以金钱为代价，液晶显示器虽然一降再降但依然很高的价格让我这种“无产阶级”不得
不望而却步，在这里搞理论学习。

二、液晶简介
物质的存在方式一般分为固、液、气三态，但例外总会发生——F.Reinitzer在1888年
观察到某些有机物在加热到熔点以后会经历一个不透明的浑浊液态阶段，这是对液晶的最早
的观察。液晶的这种“浑浊液态阶段”表现为既有液体的流动性，又具有晶体的各向异性—
—在某个方向远程有序，在另一方向近程有序，这就是液晶态——液态和固态的过渡态。
液晶按照成因可以分为两大类，即热致液晶（thermotropicliquidcrystals）和溶致液晶
（lyotropicliquidcrystals)。
顾名思义，热致液晶的液晶相是由温度引起的，由此产生了一个新名词——清凉点，
指浑浊粘稠的液晶继续加热，变为清亮透明的各向同性相时的温度。热致液晶只能在熔点和
清凉点之间存在，又可以细分为近晶相（皂相）液晶、向列相液晶和胆甾相液晶。

近晶相液晶的分子成层分布、排列整齐，层内分子的长轴互相平行，其规整性接近晶
体，表现出二维有序性，但分子质心在层内无序分布，可自由平移，故又有流动性，但粘度
很大。因为近晶相液晶的分子排布具有高度有序性，所以近晶相液晶经常出现在较低温度区
域内。不同的近晶相液晶一般具有单轴或双轴正光性或各向同性。
向列相液晶由长径比很大的棒状分子组成，分子不排列成层，只在长轴方向上保持相
互平行或近于平行（热扰动引起），分子质心没有长程有序性，分子间短程作用微弱，属Van

derWaals引力。分子长轴互相平行的自发取向过程使液晶表现出高度的双折射性，即n∥≠

n⊥，且折射率差Δn总是大于零：Δn=n∥-n⊥>0。向列相液晶又分为经典向列相和群聚向列

相。
胆甾相液晶的分子呈扁平层状结构，分子的长轴与层的平面平行，层与层之间的重叠
呈螺旋状结构，且多为左旋（逆时针方向转动）。当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向经历
360°的旋状后，又回到初始取向，这个周期性的层间距称为螺距（P）。
胆甾相液晶又可以分为两类：甾体液晶和手性液晶。甾体液晶就是胆甾醇经酯化或卤
素取代之后得到的胆甾相液晶。手性液晶是非甾体的胆甾相液晶，也呈现螺旋结构，但其特
征是分子结构中含有不对称手性中心的碳原子。
螺旋状结构的存在使不同波长的光在胆甾相液晶中发生不同的反射，液晶显示出不同
的颜色，同样一种液晶材料可以因为环境温度、电磁场、机械应力的不同和是否有化学物质
掺入而使螺距发生变化，使选择反射的光波波长不同，产生特殊的彩色变化，而且化学和光
学稳定性好，因此可以用来测量表面温度。例如使用于人体皮肤上得到热谱图，用来诊断血
管疾病、乳腺癌；也用于许多其他热-色现象的检测，包括红外激光、微波的检测，无损探
伤等；利用这种性质制成的彩色液显温度计，精度可达0.5℃，测量范围在0～250℃之间，
规律为高温反射短色波，低温反射长色波。
又如，近年来使用的近晶C相手性酯类液晶化合物，它们呈现胆甾相的同时，随温度

*
变化又表现出手性Sc相，随温度变化的色彩规律为：72℃以下，色彩随温度升高从短波（蓝

*
色）向长波（红色）方向变化（Sc相）；72℃时液晶转变为胆甾相，随温度升高色彩又从长
波（红色）变回到短波（蓝色），色彩与螺距、入射角、反射角有关。
实际上，胆甾相是向列相的一种畸变状态，通过加入不同的化合物或旋光性物质，利
用电场、磁场都会使胆甾相和向列相发生相互转变。
胆甾相液晶具有很特殊的光学性质，这使得胆甾相液晶在化工、电子领域得以广泛应
用。
（1）旋光性胆甾相的螺旋结构会使光线（线偏振光）穿过液晶后，光线的振动平
面与入射光振动平面发生扭转，这叫做胆甾相液晶的旋光性。胆甾相结构能使光的偏振面旋
转18000°/毫米（每毫米内50转），是已知最强的旋光物质。
（2）圆偏振光二向色性当非偏振光入射至胆甾相液晶上时，胆甾相的螺旋结构会
把非偏振光的电振动矢量分成两束：左旋圆偏振光（逆时针旋转）和右